耳塞式光學(xué)心率測(cè)量

傳感器技術(shù)的進(jìn)步改變了人們?cè)\斷其生命體征和健康的方式與地點(diǎn)。便攜式非侵入測(cè)量技術(shù)可以在我們的日常生活中進(jìn)行快速簡(jiǎn)單的測(cè)量。不過(guò)，盡管這種診斷技術(shù)在健身行業(yè)中已經(jīng)非常流行，但其精度有限，這個(gè)問(wèn)題直到最近才被解決。

健身追蹤器可以測(cè)量心率和其他生命體征以幫助用戶設(shè)定日常鍛煉活動(dòng)。健身追蹤器通常內(nèi)置運(yùn)動(dòng)傳感器，可以檢測(cè)運(yùn)動(dòng)模式以幫助區(qū)分步行、跑步與游泳，因此它也可以用作計(jì)步器。為在日常生活中提供舒適和便利，測(cè)量通常在手腕上進(jìn)行，因?yàn)閭鞲衅骺梢苑胖迷谑直?、珠寶和腕帶等配飾中。但是，此位置?duì)測(cè)量質(zhì)量而言并非最佳。心率檢測(cè)會(huì)受到運(yùn)動(dòng)偽像的限制而難以進(jìn)行，因?yàn)榧∪赓|(zhì)量相對(duì)較大，會(huì)限制與動(dòng)脈的接觸。

相比之下，耳朵更適合進(jìn)行光學(xué)心率測(cè)量。耳垂已被醫(yī)學(xué)專家用于測(cè)量血氧水平。但到目前為止，這尚未在消費(fèi)者層面上得到充分利用，因?yàn)榛诙涞臏y(cè)量設(shè)備受空間限制，并且功耗非常高，需要大電池。但隨著高集成度、更低功耗芯片的推出，ADI公司已開(kāi)發(fā)出解決這些問(wèn)題的解決方案?，F(xiàn)在可以將有效運(yùn)作的生命體征測(cè)量器件集成到典型的入耳式耳機(jī)中。響應(yīng)度的改進(jìn)開(kāi)辟了全新的應(yīng)用領(lǐng)域和可能性。本文介紹并評(píng)估了該系統(tǒng)。

基礎(chǔ)測(cè)量方法是光學(xué)性的。測(cè)量使用來(lái)自最多三個(gè)LED的短脈沖信號(hào)。LED電流最高可達(dá)370 mA，最小脈沖寬度為1μs。LED的最佳波長(zhǎng)根據(jù)測(cè)量位置和測(cè)量方法來(lái)選擇。手腕上只能測(cè)量表面動(dòng)脈，故而選擇綠光，耳朵則不同，可以使用紅外光，從而獲得更大的穿透深度和更高的SNR。光電二極管（其探測(cè)面積與其響應(yīng)度直接相關(guān)）用于測(cè)量反射光。因此，它會(huì)同時(shí)測(cè)量信號(hào)和背景噪聲。下游模擬前端提供更高的SNR。它用作信號(hào)濾波器，將檢測(cè)到的電流轉(zhuǎn)換為電壓，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。除反射測(cè)量外，算法還包括用于通過(guò)加速度計(jì)濾除運(yùn)動(dòng)偽像的校正。

組成測(cè)量系統(tǒng)的器件說(shuō)明如下。ADI公司的ADPD144RI芯片用作模擬前端，它還集成了光電二極管和LED。測(cè)量由三軸加速度計(jì)提供支持，該三軸加速度計(jì)不僅用于識(shí)別步態(tài)和運(yùn)動(dòng)，還用于去除偽像。本例中使用ADXL362。整個(gè)過(guò)程由ADuCM3029微控制器控制，該微控制器用作各種傳感器的接口并包含算法。

圖1.集成光學(xué)傳感器和加速度計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)，刻度尺用于比較。

圖1顯示了該測(cè)試系統(tǒng)，常規(guī)耳塞中同時(shí)容納了光學(xué)傳感器和加速度計(jì)。已采取措施將ADC采樣率限制在100 Hz并最小化LED強(qiáng)度，以盡可能降低功耗。

為了對(duì)系統(tǒng)特性進(jìn)行表征，針對(duì)不同的運(yùn)動(dòng)模式考慮了五種不同的場(chǎng)景。評(píng)估僅使用光學(xué)信號(hào)，這樣就能知道脈沖測(cè)量不準(zhǔn)確性出現(xiàn)在哪些場(chǎng)景中，以及何時(shí)需要加速度計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)提高脈沖測(cè)量的精度。場(chǎng)景涵蓋以下運(yùn)動(dòng)順序：

? 站著不動(dòng)

? 站著不動(dòng)并咀嚼

? 在辦公桌前工作

? 步行

? 跑步和跳躍

測(cè)試場(chǎng)景1

站著不動(dòng)

圖2為幅度與采樣速率的關(guān)系圖，顯示了原始數(shù)據(jù)的頻譜。隨著時(shí)間推移，脈搏可通過(guò)峰值來(lái)識(shí)別。在沒(méi)有運(yùn)動(dòng)的情況下，信號(hào)非常清晰，心率可通過(guò)峰值位置和已知的采樣速率來(lái)確定。

圖2.測(cè)量幅度過(guò)采樣率以提供有關(guān)心率的信息

光學(xué)傳感器用兩種LED顏色——紅外和紅光——記錄心率，每種顏色有四個(gè)通道。這樣就可以通過(guò)兩種不同顏色的通道來(lái)區(qū)分測(cè)量，并且可以選擇更穩(wěn)健的版本。各種通道的信號(hào)如圖3A所示。利用六個(gè)通道可以識(shí)別出非常明確的信號(hào)，同時(shí)兩個(gè)通道飽和。為了獲得更強(qiáng)和更穩(wěn)健的信號(hào)，算法會(huì)添加相應(yīng)的不飽和通道并計(jì)算心率。圖3B顯示了紅光通道（頂部）和紅外通道（底部）的心率，同時(shí)借助色標(biāo)顯示了測(cè)量的置信度。圖中還給出了心率的倍數(shù)，由此可以通過(guò)采樣速率和置信度指示來(lái)區(qū)分原始信號(hào)（虛線）。

總之，在沒(méi)有運(yùn)動(dòng)的情況下，信號(hào)很強(qiáng)且沒(méi)有阻礙噪聲，因此算法能以高可信度確定心率。來(lái)自紅外通道的信號(hào)強(qiáng)于來(lái)自紅光通道的信號(hào)。

測(cè)試場(chǎng)景2

站著不動(dòng)并咀嚼

場(chǎng)景2引入了額外的咀嚼動(dòng)作。記錄的頻譜如圖4所示。與測(cè)試場(chǎng)景1不同，這里可以清楚地看到運(yùn)動(dòng)偽像，其在信號(hào)中表現(xiàn)為跳躍。它們?cè)谕ǖ揽偤椭幸沧兊们逦辉俦憩F(xiàn)出如此明顯不同的速率。然而，算法還是能夠在沒(méi)有運(yùn)動(dòng)傳感器額外幫助的情況下以高置信度正確地確定心率。有意思的是，紅外信號(hào)強(qiáng)度再次大于紅光通道的信號(hào)強(qiáng)度。

圖3.紅色區(qū)域（頂部）顯示站著不動(dòng)情況的四通道測(cè)量，而紅外區(qū)域（底部）顯示原始數(shù)據(jù)和加總數(shù)據(jù)。心率（黑線）可以由算法通過(guò)加總數(shù)據(jù)確定，色標(biāo)指示置信度。

圖4.紅色區(qū)域（頂部）顯示站著不動(dòng)并咀嚼情況的四通道測(cè)量，而紅外區(qū)域（底部）顯示原始數(shù)據(jù)和加總數(shù)據(jù)。心率（黑線）可以由算法通過(guò)加總數(shù)據(jù)確定，色標(biāo)指示置信度。心率可以在沒(méi)有加速度計(jì)的情況下予以確定。

圖5.紅色區(qū)域（頂部）顯示在辦公桌前工作情況的四通道測(cè)量，而紅外區(qū)域（底部）顯示原始數(shù)據(jù)和加總數(shù)據(jù)。心率（黑線）可以由算法通過(guò)加總數(shù)據(jù)確定，色標(biāo)指示置信度。心率可以在沒(méi)有加速度計(jì)的情況下予以確定。

圖6.紅色區(qū)域（頂部）顯示步行情況的四通道測(cè)量，而紅外區(qū)域（底部）顯示原始數(shù)據(jù)和加總數(shù)據(jù)。心率（黑線）可以由算法通過(guò)加總數(shù)據(jù)確定，色標(biāo)指示置信度。對(duì)于紅外情況，心率可以在沒(méi)有加速度計(jì)的情況下予以確定。

圖7.紅色區(qū)域（頂部）顯示跑跳情況的四通道測(cè)量，而紅外區(qū)域（底部）顯示原始數(shù)據(jù)和加總數(shù)據(jù)。心率（黑線）可以由算法通過(guò)加總數(shù)據(jù)確定，色標(biāo)指示置信度。沒(méi)有加速度計(jì)很難確定心率。

圖8.無(wú)加速度計(jì)數(shù)據(jù)（左）和有加速度計(jì)數(shù)據(jù)（右）的加性頻譜比較。利用加速度計(jì)可以重建用戶的心率。

測(cè)試場(chǎng)景3

在辦公桌前工作

場(chǎng)景3中測(cè)試了另一種日常情況。測(cè)試人員坐在桌子前進(jìn)行一些正常工作以及相關(guān)的動(dòng)作。與場(chǎng)景2類似，可以檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)偽像，由此算法可以識(shí)別兩個(gè)通道中的心率。從圖5中可以看出，紅外信號(hào)在這里同樣占主導(dǎo)地位。

測(cè)試場(chǎng)景4

步行

先前的場(chǎng)景關(guān)注的是靜止測(cè)量情況，但在本場(chǎng)景中，測(cè)試人員以低速（大約每分鐘50步）沿一個(gè)方向均勻移動(dòng)。如圖6所示，PPG信號(hào)中混合了心率與步伐，各種聲道的總和顯示的信號(hào)非常模糊。雖然在紅光信號(hào)場(chǎng)中無(wú)法計(jì)算明確的心率，但算法在紅外信號(hào)中找到一個(gè)擬合的心率。然而，由于波動(dòng)很大和矩陣的置信度很低，來(lái)自加速度計(jì)的附加運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)將非常有用，特別是因?yàn)榈侥壳盀橹?，測(cè)量?jī)H在較低步行速度下進(jìn)行。

測(cè)試場(chǎng)景5

跑步和跳躍

場(chǎng)景5不是測(cè)量均勻運(yùn)動(dòng)，而是短跑和跳躍以一定的間隔交替進(jìn)行?，F(xiàn)在可以非常清楚地識(shí)別運(yùn)動(dòng)偽像，算法很難隔離出正確的心率，如圖7所示。需要運(yùn)動(dòng)傳感器提供支持似乎是不可避免的。

為了更好地評(píng)估對(duì)運(yùn)動(dòng)傳感器的需求，場(chǎng)景5測(cè)試了使用和不使用加速度計(jì)兩種情況下的測(cè)量技術(shù)。圖8顯示了無(wú)校正加速度計(jì)數(shù)據(jù)（左）和有校正加速度計(jì)數(shù)據(jù)（右）的加性頻譜的比較。在識(shí)別心率時(shí)可以看到信號(hào)明顯改善，如果沒(méi)有加速度計(jì)的支持，這是不可能的。

從測(cè)試案例中可以得出結(jié)論，在大多數(shù)情況下，心率可以利用耳塞中集成的傳感器非常精確地加以確定。在局部或慢速平移運(yùn)動(dòng)的情況下，心率甚至可以在不使用加速度計(jì)數(shù)據(jù)的情況下加以確定。然而，在突然和快速運(yùn)動(dòng)的極限情況下，與運(yùn)動(dòng)校正數(shù)據(jù)進(jìn)行比較也能釋讀數(shù)據(jù)。在所有情況下，紅外信號(hào)均強(qiáng)于紅光信號(hào)。

與手腕測(cè)量相比，耳朵中的信號(hào)更強(qiáng)，因此測(cè)量精度可以達(dá)到更高水平。此外，使用紅光或紅外光可以測(cè)量血氧水平。

結(jié)論

總之，功能測(cè)試系統(tǒng)也已證明，耳朵測(cè)量非常有前途。測(cè)量裝置也可以通過(guò)更好的機(jī)械集成來(lái)改進(jìn)，并加以擴(kuò)展來(lái)實(shí)現(xiàn)額外的測(cè)量。這樣，加速度計(jì)還可用于跌倒檢測(cè)和步態(tài)識(shí)別，從而為客戶創(chuàng)造更多價(jià)值。

作者簡(jiǎn)介

自2015年2月至今，Christoph K?mmerer一直在德國(guó)ADI公司任職。他于2014年畢業(yè)于埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)，獲得物理學(xué)碩士學(xué)位。第二年，他曾在利默里克市ADI公司擔(dān)任工藝開(kāi)發(fā)實(shí)習(xí)生。2016年12月完成現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師培訓(xùn)生項(xiàng)目后，他正式成為ADI公司員工，專門(mén)研究新興應(yīng)用領(lǐng)域。